超声波

2022-08-04 18:09:46 浏览:1179

超声波是一种频率高于20kHz(千赫)的声波[1]。所谓超声波,只透过具有弹性与惯性介质,如空气,当空气本身一旦产生膨胀或压缩时,透过其分子的运动而有波动的传播产生。因此,音波无法在真空中进行传播。人类听觉能察觉波动,称之为声音。此时音波,即称之为可听波。

超声波

图1  红:次声波、蓝:可听声波、绿:超声波

声波是物体机械振动状态(或能量)的传播形式。由于其频率高,因而具有许多特点:首先是功率大,其能量比一般声波大得多,因而可以用来切削、焊接、钻孔等。再者由于它频率高,波长短,衍射不严重,具有良好的定向性,工业与医学上常用超声波进行超声探测。超声和可闻声本质上是一致的,它们的共同点都是一种机械振动模式,通常以纵波的方式在弹性介质内会传播,是一种能量的传播形式,其不同点是超声波频率高,波长短,在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性,1兆Hz=106 Hz,即每秒振动100万次,可闻波的频率在16-20000 Hz之间)[2-4]

某些动物,如犬只、海豚、以及蝙蝠等等都有着超乎人类的耳朵,也因此可以听到超声波。亦有人利用这个特性制成能产生超声波来呼唤犬只的犬笛。

超声波在军事、医疗及工业中有较大的用途。在临产医学成像领域中,超声由于能够提供实时图像(尤其是血流)、成本效益低、非侵入性等患者可接受性高的原因,目前已成为最广泛应用的临床成像方法之一[5]。此外,产科超声波也常用在怀孕时期的检查。

1、超声波的特点[6]

  • 超声波在传播时,方向性强,能量易于集中。
  • 超声波能在各种不同媒质中传播,且可传播足够远的距离。
  • 超声波与传声媒质的相互作用适中,易于携带有关传声媒质状态的信息诊断或对传声媒质产生效用及治疗。
  • 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。
  • 超声波可传递很强的能量。
  • 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

2、超声效应[2]

  • 机械效应:超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。
  • 空化作用:超声波作用于液体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压,压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和,而从液体逸出,成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞,称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体,甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。
  • 热效应:由于超声波频率高,能量大,被介质吸收时能产生显著的热效应。
  • 化学效应:超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢;溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸;染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后,特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收,这表明空化作用使分子结构发生了改变。

参考文献

[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/超声波
[2] https://zhuanlan.zhihu.com/p/30923412
[3] 冯真鹏,肖强.超声加工技术研究进展[J].表面技术,2020,49(04):161-172.
[4] 潘劲,唐恒蔚,张天华,高雨.探究超声波传感器的应用[J].决策探索(中),2019(12):94-95.
[5] Daum N, Tscheka C , Neumeyer A, et al. Novel approaches for drug delivery systems in nanomedicine: Effects of particle design and shape[J]. Wiley Interdisciplinary Reviews Nanomedicine & Nanobiotechnology, 2012, 4(1):52-65.
[6] 赵卫星.超声波传感器及其应用[J].科技风,2019(23):8.

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